港珠澳大橋鋼管樁施工定位測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

易建華，姬翠翠，黃文學(xué)，楊銀波

（1. 中交二航局 第二工程有限公司，重慶 400042）

港珠澳大橋鋼管樁施工定位測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

易建華1，姬翠翠1，黃文學(xué)1，楊銀波1

（1. 中交二航局 第二工程有限公司，重慶 400042）

海上鋼管樁施工定位及其精度監(jiān)測(cè)是港珠澳大橋埋置式承臺(tái)足尺模型工藝試驗(yàn)研究關(guān)鍵及施測(cè)困難的工序之一。通過(guò)自行研制的工具式導(dǎo)向架沉樁系統(tǒng)，對(duì)鋼管樁振沉過(guò)程施以約束來(lái)提高鋼管樁定位精度，滿足鋼管樁平面定位±5 cm、垂直度1/400的精度要求。根據(jù)工程實(shí)踐，提出影響定位精度的誤差來(lái)源并給出減小誤差的建議。

港珠澳大橋；埋置式承臺(tái)；鋼管樁；平面定位；垂直度；精調(diào)

1 工程概況

本次足尺模型工藝試驗(yàn)墩1個(gè)，位于港珠澳大橋中心樁號(hào)K22+853 m，向北偏離橋軸線150 m處。本次試驗(yàn)承臺(tái)基礎(chǔ)采用鋼管復(fù)合樁結(jié)構(gòu)，鋼管樁標(biāo)準(zhǔn)段外徑2．2 m，壁厚25 mm，樁長(zhǎng)61．7 m，樁底高程-70．0 m，嵌入承臺(tái)長(zhǎng)度1．6 m，并在高程-25．9 m以上設(shè)置鋼筋籠及填芯混凝土，以確保鋼管樁與承臺(tái)混凝土之間錨固及鋼管樁剛度要求。鋼管樁按摩擦樁設(shè)計(jì)，樁基中心距6．0 m及5．5 m。樁基平面見圖1。

圖1 樁基平面示意圖

采用專用的高精度沉樁系統(tǒng)，見圖2，以確保鋼管樁施工精度滿足垂直度和相對(duì)平面偏位這兩項(xiàng)控制精度要求。

2 儀器設(shè)備、坐標(biāo)系統(tǒng)及高程基準(zhǔn)

使用的儀器設(shè)備包括：Leica NA2水準(zhǔn)儀1臺(tái)，標(biāo)稱精度±0．7 mm/km；天寶R6 GPS接收機(jī)3臺(tái)，動(dòng)態(tài)平面精度±(10 mm+1×10-6×D)，動(dòng)態(tài)高程精度±(20 mm+1×10-6×D)；Leica TCR1201 精密全站儀1臺(tái)，測(cè)角±1"，測(cè)距±（1 mm+2×10-6×D)；J2-JDE經(jīng)緯儀和KDT02經(jīng)緯儀各1臺(tái)，測(cè)角±2"。另配備垂球3個(gè)，垂線若干。

測(cè)量定位采用港珠澳大橋統(tǒng)一的測(cè)量基準(zhǔn)。平面基準(zhǔn)采用測(cè)控中心建立的橋梁工程坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)[1]。

鋼管樁施工定位測(cè)量控制網(wǎng)統(tǒng)一采用測(cè)控中心提供的HZMB-CORS系統(tǒng)和首級(jí)控制點(diǎn)坐標(biāo)成果表[2]。

圖2 工具式導(dǎo)向沉樁系統(tǒng)示意圖

3 鋼管樁平面高程定位測(cè)量及精調(diào)

3.1 鋼管樁平面定位及精調(diào)

在振沉鋼管樁前，需對(duì)鋼管樁的平面位置進(jìn)行精調(diào)。由于錨樁振沉完成后，已經(jīng)在導(dǎo)向架一層平臺(tái)塔帽上加密測(cè)量控制點(diǎn)，在其上架設(shè)全站儀，對(duì)鋼管樁周圍的四向頂緊裝置進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管樁平面位置的精調(diào)，如圖3。

圖3 鋼管樁精調(diào)示意圖

3.2 鋼管樁標(biāo)高測(cè)量

鋼管樁振沉過(guò)程中，利用已知控制點(diǎn)的標(biāo)高，采用三角高程測(cè)量方法，對(duì)鋼管樁振沉標(biāo)高進(jìn)行控制。當(dāng)鋼管樁振沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高上1 m時(shí)，換水準(zhǔn)儀按四等水準(zhǔn)測(cè)量要求對(duì)鋼管樁頂部標(biāo)高進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，指導(dǎo)鋼管樁精確振沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3.3 鋼管樁垂直度控制與監(jiān)測(cè)

鋼管樁沉放過(guò)程中，實(shí)時(shí)對(duì)鋼管樁的垂直度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)量方法為在錨樁塔帽上架設(shè)經(jīng)緯儀，利用豎絲法外切鋼管樁外壁，整平儀器后，瞄準(zhǔn)鋼管樁的一個(gè)外切面，測(cè)量上、下兩個(gè)斷面鋼管樁到豎直視線的距離，并測(cè)量?jī)蓚€(gè)斷面的高差，即可計(jì)算出鋼管樁的垂直度：T=（L2-L1）/H，如圖4所示。分別測(cè)量鋼管樁4個(gè)外切面的垂直度，取同方向兩個(gè)切面的平均值為該鋼管樁垂直度。鋼管樁垂直度超出設(shè)計(jì)要求時(shí)，及時(shí)利用導(dǎo)向架上下龍口的頂緊裝置進(jìn)行調(diào)整，直至滿足要求為止。同時(shí)鋼管樁每下沉5 m，利用垂球法對(duì)鋼管樁的垂直度進(jìn)行復(fù)核[3]。

4 鋼管樁成樁測(cè)量

4.1 鋼管樁平面位置成樁測(cè)量

在導(dǎo)向架錨樁塔帽上已加密的測(cè)量控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀，在鋼管樁頂外壁上架設(shè)棱鏡，利用三維坐標(biāo)法測(cè)量其坐標(biāo)。每根鋼管樁上測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，利用三點(diǎn)定圓心的方法，得到鋼管樁沉樁后的中心坐標(biāo)。通過(guò)坐標(biāo)反算得到樁與樁之間的相對(duì)偏差，并根據(jù)垂直度推算到承臺(tái)安裝設(shè)計(jì)標(biāo)高面處樁中心坐標(biāo)，對(duì)承臺(tái)底位置（-9．9 m）處樁位的平面偏差及相對(duì)尺寸進(jìn)行分析，以指導(dǎo)墩臺(tái)安裝施工。

4.2 鋼管樁樁頂高程成樁測(cè)量

在導(dǎo)向架錨樁塔帽上已加密的測(cè)量控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀，在鋼管樁頂外壁上架設(shè)棱鏡，利用三角高程測(cè)量方法測(cè)量出塔帽上控制點(diǎn)與樁頂?shù)母卟?，得到樁頂?shù)某蓸陡叱?，其中每根鋼管樁上測(cè)量4個(gè)點(diǎn)，取4個(gè)點(diǎn)的高程平均值作為鋼管最終的成樁標(biāo)高。

4.3 鋼管樁垂直度成樁測(cè)量

由于鋼管樁振沉后，其露出水面的高度較短，測(cè)量其沉樁垂直度時(shí)，在填芯混凝土澆筑完成后進(jìn)行。首先根據(jù)已測(cè)的樁位中心坐標(biāo)，放樣出每根鋼管樁的軸線點(diǎn)。然后根據(jù)放樣出的鋼管樁軸線，同時(shí)下放兩個(gè)測(cè)錘至鋼管樁內(nèi)。沿兩個(gè)垂球的方向，上下同時(shí)用鋼卷尺量取垂線至鋼管樁內(nèi)壁的距離，并量取上下口的高度。根據(jù)已量測(cè)的數(shù)據(jù)，計(jì)算鋼管樁的成樁垂直度。

4.4 鋼管樁沉樁成果及精度評(píng)定

鋼管樁沉樁定位成果見表1，垂直度成果見表2。由表1，鋼管樁沉樁定位精度滿足設(shè)計(jì)要求（平面±5 cm，高程0～10 cm，垂直度1/400）。

圖4 鋼管樁垂直度方向及方法示意圖

表1 鋼管樁定位成果表

按誤差傳播定律[4]，在樁頂標(biāo)高H=6 m處樁整體偏差:

在樁底標(biāo)高H=-9．9 m處樁整體偏差:

表2 鋼管樁垂直度成果表

預(yù)制墩臺(tái)吊裝時(shí)，貫穿高度為標(biāo)高+6 m至-9．9 m，共15．9 m，群樁整體偏差小于預(yù)制墩臺(tái)吊裝可調(diào)節(jié)量100 mm，能夠滿足預(yù)制墩臺(tái)順利下放。

5 鋼管樁施工定位測(cè)量小結(jié)

鋼管樁施工定位精度誤差來(lái)源較多，各環(huán)節(jié)的誤差均會(huì)影響到鋼管樁最終的成樁精度，故應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

1）鋼管樁自身加工誤差：在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，鋼管樁局部垂直度較差，影響后期鋼管樁振沉垂直度。建議在鋼管樁出廠時(shí)，應(yīng)建立測(cè)量平臺(tái)基準(zhǔn)進(jìn)行垂直度檢查，確保其垂直度滿足1/1 000的精度要求。

2）導(dǎo)向架加工誤差：導(dǎo)向架制作精度影響鋼管樁振沉精度。建議嚴(yán)格控制導(dǎo)向架加工誤差，包括平整度及垂直度的檢查。當(dāng)導(dǎo)向架重復(fù)使用時(shí)，應(yīng)定期對(duì)導(dǎo)向架進(jìn)行變形監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)變形應(yīng)及時(shí)采取措施。

3）導(dǎo)向架定位誤差：導(dǎo)向架定位時(shí)應(yīng)盡量靠近設(shè)計(jì)位置，當(dāng)導(dǎo)向架定位存在旋轉(zhuǎn)偏角時(shí)，液壓調(diào)位系統(tǒng)對(duì)旋轉(zhuǎn)偏角的調(diào)位效果不理想。建議對(duì)調(diào)位系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，以更好地實(shí)現(xiàn)平面扭角的調(diào)整。

4）測(cè)量誤差:鋼管樁最終定位由多次測(cè)量定位完成，每次測(cè)量均包含測(cè)量誤差及人為誤差。建議嚴(yán)格按照測(cè)量外業(yè)操作規(guī)程進(jìn)行，每次應(yīng)精確對(duì)儀器進(jìn)行整平對(duì)中，盡量減少人為誤差的影響，且在測(cè)量中隨時(shí)關(guān)注儀器的工作狀態(tài)。

5）氣象窗口的選擇：海上風(fēng)浪較大時(shí)對(duì)鋼管樁初始入水及入泥時(shí)的垂直度影響較大且難以調(diào)整。建議在鋼管樁定位時(shí)，應(yīng)選擇海上風(fēng)浪較小的時(shí)候進(jìn)行，一般要求海上陣風(fēng)小于等于6級(jí)且浪高不高于0．5 m。

6）分析鋼管樁成樁垂直度發(fā)現(xiàn)，鋼管樁Z2方向1的垂直度為1/369，未能滿足精度要求，原因?yàn)殇摴軜段谷雽?dǎo)向架后至振沉完成中間間隔時(shí)間較長(zhǎng)且風(fēng)浪過(guò)大或因?yàn)榈刭|(zhì)原因產(chǎn)生溜樁引起。建議鋼管樁喂入導(dǎo)向架后振沉應(yīng)及時(shí)完成，中間不應(yīng)間隔太長(zhǎng)時(shí)間，且應(yīng)做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

7）在鋼管樁垂直度監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)向架二層平臺(tái)拆除前后，鋼管樁存在一定的回彈，對(duì)鋼管樁相對(duì)平面位置及垂直度造成影響。建議導(dǎo)向架頂緊裝置與鋼管樁外壁應(yīng)留有3 mm空隙，使鋼管樁振沉下放時(shí)處于自由狀態(tài)，避免頂緊裝置對(duì)鋼管樁受力，從而消除鋼管樁回彈的影響。

8）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，受施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)GPS信號(hào)的影響及基線長(zhǎng)度嚴(yán)重不均，靜態(tài)加密控制測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)。建議在主體工程施工時(shí)，利用已經(jīng)建設(shè)好的測(cè)量平臺(tái)及優(yōu)先墩上的測(cè)量控制點(diǎn)，利用常規(guī)測(cè)量方法，平面采用測(cè)回法、高程采用三角高程對(duì)向觀測(cè)，將測(cè)量控制點(diǎn)轉(zhuǎn)測(cè)至錨樁塔帽上，且應(yīng)經(jīng)常復(fù)測(cè)，再根據(jù)轉(zhuǎn)點(diǎn)對(duì)鋼管樁進(jìn)行精調(diào)，既能滿足鋼管樁的相對(duì)定位精度要求也能滿足絕對(duì)定位精度要求。鋼管樁振沉過(guò)程中的垂直度控制建議在已經(jīng)建設(shè)好的測(cè)量平臺(tái)和優(yōu)先墩上多方向架設(shè)經(jīng)緯儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且在導(dǎo)向架一層平臺(tái)與二層平臺(tái)之間懸掛垂球進(jìn)行復(fù)核。

9）鋼管樁振沉完成后的最終定位成果對(duì)指導(dǎo)預(yù)制墩臺(tái)下放起著重要作用，故對(duì)鋼管樁的成樁檢測(cè)要引起足夠重視。建議在鋼管樁振沉完成后，利用錨樁塔帽上轉(zhuǎn)測(cè)的控制點(diǎn)對(duì)鋼管樁頂面進(jìn)行平面及高程的成樁測(cè)量，其垂直度應(yīng)在填芯混凝土澆筑完成且孔內(nèi)排水完成后（鋼管樁不得割孔），利用加工制作的一個(gè)與鋼管樁內(nèi)徑大小一致的“十字型”工具下放至鋼管樁內(nèi)，再利用懸吊垂球把“十字型”工具的中心點(diǎn)引至頂口，利用全站儀測(cè)定“十字型”工具的中心點(diǎn)坐標(biāo)，多次測(cè)量取平均值，其與鋼管樁頂部中心點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較，得出鋼管樁垂直度且能得出鋼管樁垂直度的最弱方向。

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1672-4623（2014）05-0134-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.049

易建華，注冊(cè)測(cè)繪師，測(cè)量工程師，主要從事鐵路、公路及橋梁的工程測(cè)量工作。

2013-10-08。